DE2936862C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Strahlungsempfängers eines Bolometers mit den Merkmalen der Oberbegriffe der Patentan­ sprüche 1 bzw. 7.

Ein derartiges Verfahren beschreibt die deutsche Gebrauchs­ musterschrift 17 52 193. Die Art der Trägerschicht kann dieser Druckschrift nicht entnommen werden. Wahrscheinlich handelt es sich dort um eine Platte aus einem geeigneten Material, beispielsweise Glas.

Die DE-AS 10 47 911 beschreibt die Herstellung eines bolo­ metrischen Strahlungsempfängers, wobei eine Meßschicht in einem Bad von einer Trägerplatte abgelöst und dann auf einen Rahmen aufgebracht wird. Die Meßschicht ist aber so dick, daß sie frei gespannt über den Rahmen verläuft. Eine verhältnismäßig dicke Meßschicht hat aber den Nachteil, daß die Empfindlichkeit des Strahlungsempfängers entsprechend herabgesetzt wird, insbesondere bedingt durch die Wärme­ kapazität der Meßschicht.

Der Zeitschrift Rev. Sci. Instr. Vol. 18 Nr. 6 Juni 1947, S. 429-435 beschreibt das Aufdampfen einer Nickelschicht auf eine Trägerschicht aus Nitrozellulose. Die Nitro­ zellulose wird ihrerseits von einer Glasplatte gehalten, was mit dem Nachteil verbunden ist, daß durch die Glasplatte hindurch eine verhältnismäßig hohe Wärmeableitung auf der Meßschicht (Nickelschicht) erfolgt.

Die DD-PS 1 06 082 beschreibt Strahlungsempfänger von Bolo­ metern, die aus verschiedenen Materialien bestehen, bei­ spielsweise aus Aluminiumoxid als Trägerschicht oder Gold als Meßschicht.

Ausgehend von einem Verfahren mit den Merkmalen der Ober­ begriffe der Patentansprüche 1 bzs. 7 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, dieses Verfahren so auszugestalten, daß die Empfindlichkeit des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Strahlungsempfängers fühlbar erhöht wird.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1 bzw. 7.

Durch diese Verfahrensführung erhält man eine extrem dünne Meßschicht, die dazu noch durch den angegebenen langen Strompfad mit dem erhöhten ohmschen Widerstand die Empfindlichkeit des Strahlungsempfängers wesentlich erhöht. Eine derart dünne Meßschicht mit einem langen Strompfad mit erhöhtem ohmschen Widerstand ist aber nicht selbsttragend. Auch die Trägerschicht für die Meßschicht ist aus den erwähnten Gründen ebenfalls sehr dünn. Die als Metalloxid­ schicht wirkende Trägerschicht wird daher von der rahmen­ förmigen Stütze der Metallschicht gehalten. Die Wärmekapa­ zität bzw. Wärmeableitung dieser rahmenförmigen Stütze ist in dem hier interessierenden Meßbereich des Strahlungsem­ pfängers ebenfalls sehr gering, so daß durch die angegebenen Lösungsmerkmale die Erfindungsaufgabe gelöst wird.

Durch die beanspruchte Verfahrensführung ist es somit mit wenigen Verfahrensschritten möglich, in einem Arbeits­ gang eine Vielzahl dieser Strahlungsempfänger nebenein­ ander in einem Nutzen herzustellen, die dann anschließend in ein Gehäuse eingebaut werden können. Es wird also eine extrem hochohmige Meßschicht hergestellt, die trotzdem auf einer ebenfalls sehr dünnen Trägerschicht gehalten wird. Die Trägerschicht ihrerseits wird nur an ihren Rändern vom Rahmen der Metallschicht gestützt und verläuft frei gespannt über die Fläche des Rahmens, so daß über die eigentliche Meßfläche - außer der Metalloxidschicht - keine weiteren Materialien zur Stütze der Meßschicht notwendig werden, die die Wärmekapazität naturgemäß erhöhen würden. Durch die erfindungsgemäße Verfahrens­ führung wird also insgesamt eine sehr kleine Masse und damit eine sehr geringe Wärmekapazität des Strahlungsem­ pfängers erzielt, verbinden mit einer sehr geringen Wärme­ ableitung.

Bevorzugt wird es, wenn Gold auf die Metalloxidschicht auf­ gedampft wird. Gold zeichnet sich durch ein geringes Rauschen des Bolometers aus.

Weiterhin wird es bevorzugt, wenn als Metallschicht eine Aluminiumschicht verwendet wird, die oxidiert wird. Hierdurch ergibt sich nicht nur eine besonders preisgünstige Verfahrens­ führung, sondern die Aluminiumoxidschicht genügt auch allen mechanischen Anforderungen als Trägerschicht für die Meß­ schicht.

Weiterhin wird es bevorzugt, wenn die Meßschicht mäander­ förmig ausgebildet wird. Dies ist eine mögliche Aus­ führungsform für den angestrebten langen Strompfad mit einem erhöhten ohmschen Widerstand.

Weiterhin wird es bevorzugt, wenn die Metallschicht anodisch oder thermisch oxidiert wird. Diese sind Verfahrensführungen, mit denen sich die Oxidation besonders wirkungsvoll durch­ führen läßt.

Schließlich wird es bevorzugt, wenn die Meßschicht auf die Trägerschicht aufgedampft wird.

Die Abmessungen der Meßschicht sind zwischen ca. 30 Mikro­ meter und einigen Millimetern frei wählbar. Die Schicht­ dicken können auf Werte zwischen 20 und 100 nm eingestellt werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich Ausführungswege darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1a bis d schematisch die Darstellung wichtigster Stufen des bevorzugten Verfahrens zur Herstellung einer speziellen Ausführungsform des erfindungsge­ mäß hergestellten Dünnschicht-Strahlungsempfängers;

Fig. 2 im Querschnitt den fertigen, nach dem in Fig. 1 dargestellten Verfahren hergestellten Strahlungs­ empfänger und

Fig. 3 im Querschnitt eine Ausführungsform des erfindungsgemäß hergestellten Strahlungs­ empfänger, der mit einer Fassung im "upside-down"- Verfahren verbunden wird.

Wegen der einfachen und zuverlässigen Herstellungsweise wird eine Trägerfolie aus Aluminiumoxid bevorzugt. Es eignen sich aber auch die Oxide des Berylliums und des Siliciums. Gemäß vorliegenden Beispiel geht man von einer nicht zu dicken Aluminiumfolie aus, die für den gesamten Herstellungsprozeß als Substrat dient, von der zum Schluß die fertige Bolometereinheit abgetrennt wird und von der ein Teil in Form eines Ringes als Rahmen für die frei aufzuspan­ nende Trägerfolie dient.

In Stufe a) des in Fig. 1 gezeigten Verfahrens wird die walzblanke Aluminiumfolie poliert, gereinigt und anschlie­ ßend anodisch oxidiert, was vorzugsweise in Diamoniumhydro­ gentartrat erfolgt. Die bei der anodischen Oxidation ange­ legte Spannung beträgt 20 bis 60 V; der Vorgang dauert etwa eine Stunde. Es entsteht dabei eine dichte Oxidhaut, welche die spätere Trägerfolie darstellt. Die bei dieser anodischen Oxidation erzeugte Oberfläche des Aluminiums hat die richtigen Eigenschaften, um ohne Zwischenlage eines Haftvermittlers wie Chrom die aufzubringende Leiterschicht haftfest zu verankern. Zudem verringert die Oberflächenbe­ schaffenheit der so erzeugten Oxidschicht die Beweglichkeit der aus der Dampfphase zu kondensierenden Leiterschicht- Atome (Gold), so daß die für eine hohen Temperaturkoeffi­ zienten schädliche Inselbildung beim Aufdampfvorgang unter­ bleibt. Auf die Oxidschicht wird die Leitschicht (Gold) im Hochvakuum aufgedampft und danach getempert, um die elektri­ schen Kennwerte denen des kompakten Metalls anzunähern.

In Stufe b) werden mit Hilfe zueinander justierter Photo­ masken die Bolometerstruktur (Mäander) auf der Leitschicht und der Fensterausschnitt auf der Rückseite in zuvor beid­ seitig aufgezogenen Photolack einbelichtet. Gleichzeitig wird ebenfalls von der Substratrückseite her eine ringför­ mige Zone einbelichtet, die es später erlaubt, den Rahmen aus dem Aluminiumsubstrat herauszuätzen, über den die frei­ tragende Oxidfolie gespannt und mit ihm fest verbunden sein wird. Diese Rahmenstruktur dient auch zum Einbau der Bolo­ metereinheit in ein Gehäuse. Sie erträgt hohe Vibrationsbe­ schleunigungen. Die dadurch gewährleistete hohe mechanische Stabilität begründet die Mikrophonie-Unempfindlichkeit des Bolometers. Mit Hilfe der erzeugten Photolackstruktur wird die mäanderförmige Leiterbahn einschließlich der Anschluß­ felder für die elektrischen Anschlüsse aus der Leiterschicht (Goldschicht) herausgeätzt.

Die Leiterschicht selbst wird vorzugsweise in Dicken von 20 bis 25 nm erzeugt, um dem Bolometer einen möglichst hohen Widerstand, geringe Wärmeträgheit und zugleich geringe Exemplarstreuung zu verleihen.

In Stufe c) wird für die Dauer der folgenden Verfahrens­ schritte die frisch geätzte Leiterbahn mit einem Schutzlack überzogen, wonach die auf der Rückseite des Substrats noch vorhandene Oxidhaut an der Stelle des künftigen Fensters mit Flußsäure entfernt wird.

In Stufe d) wird die die Leiterbahn tragende Oxidhaut auf der Vorderseite des Aluminiumsubstrats freigelegt und zu­ gleich der vorgenannte Ring geätzt. Dies geschieht mit Hilfe konzentrischer Salzsäure, der, um die Auflösung des Aluminiums zu beschleunigen, eine geringe Menge Kupferchlorid beigefügt wird. Die Ätzung erfolgt von der Rückseite des Aluminium­ substrats her an den in Stufe b) belichteten und in Stufe c) von der schützenden Oxidschicht befreiten Stellen. Durch das Weglösen des bisher tragenden Aluminiumsubstrats wird das Bolometerscheibchen frei und kann als komplette Einheit herausgenommen werden. Im Abschluß werden die noch verblie­ benen Schutz- und Photolackschichten restlos entfernt. Die Schwärzung des Bolometerelements erfolgt bevorzugt mit Campherruß, wodurch auch die thermisch träge Masse des Bolo­ meters gering gehalten wird.

In Fig. 2 wird im Querschnitt ein nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellter Strahlungsempfänger gezeigt. Dieser besteht aus einer mäanderförmigen Leiterbahn 1 mit Anschluß­ feldern 2, die von einer Aluminiumoxidfolie 3 getragen wird. Über die Mäanderstruktur wird der Absorber 4 angebracht. An der Stelle, an der die Bolometerstruktur auf der freitragend aufgespannten Oxid-Trägerfolie 3 sitzen soll, ist das Basis­ material fensterartig herausgelöst, so daß die Trägerfolie 3 auf dem einen Rahmen bildenden Rest des Basismaterials 5 frei gespannt zurückbleibt.

Das fertige Bolometerelement, d. h. Basismaterial mit Fenster, Isolierfolie 3 und Bolometerstruktur 1, kann auf besonders ein­ fache Weise im "upside-down"-Verfahren auf einer Fassung 6 befestigt werden, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Hierbei wer­ den leitfähige Kleber 7 benützt. Da die Anschlußfelder 2 mit den Kontaktstiften 8 in Berührung kommen, enthält das Element auch gleichzeitig seine elektrischen Anschlüsse. In diesem Fall ist die strahlungsabsorbierende Schwarzschicht 4 auf die Rückseite des Bolometerelements aufgetragen.

Die Größe des Fensterausschnitts und damit die Größe der im Haltering frei aufgespannten Trägerfolie 3 hat wesentlichen Einfluß auf die Empfindlichkeit und die Ansprechzeit des Bolometers. Ist die Fensterfläche groß und das Bolometer im Vakuum montiert, wird hohe Empfindlichkeit erreicht. Verklei­ nert man die Fensterfläche bei gleicher Bolometerfläche, so erhöht sich die Wärmeableitung nach dem Rahmen hin, das Bolo­ meter wird schneller. Somit können die beiden gebräuchlichen Bolometertypen (strahlungs- bzw. wärmeleitungs­ gekühlt) sowie alle Zwischenformen nach dem gleichen Herstel­ lungsverfahren wahlweise erzeugt werden.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung eines Strahlungsempfängers eines Bolometers, wobei auf eine Trägerschicht eine Meßschicht aufgebracht wird, die eine Struktur erhält, wodurch sich in der Meßschichtebene ein langer Strom­ pfad mit einem erhöhten ohmschen Widerstand ergibt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Metallschicht (5) an wenigstens einer Fläche oxidiert wird, daß auf die so hergestellte und als die Trägerschicht wirkende Metalloxidschicht (3) die Meßschicht (1) aufgebracht wird, und mittels Foto­ litografie vorbestimmte Bereiche der Meßschicht (1) und der Metallschicht (5) weggeätzt werden, derart, daß von der Metallschicht (5) eine rahmenförmige Stütze für die Metalloxidschicht (3) bestehen bleibt und von der Meßschicht (1) der lange Strompfad.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Gold auf die Metalloxidschicht (3) aufgedampft wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Metallschicht eine Aluminiumschicht verwendet wird, die oxidiert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschicht (1) mäanderförmig ausgebildet ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Metallschicht (5) anodisch oder thermisch oxidiert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Meßschicht (1) auf die Trägerschicht auf­ gedampft wird.

7. Verfahren zur Herstellung eines Strahlungsempfängers eines Bolometers, wobei auf eine Trägerschicht eine Meßschicht aufgebracht wird, die eine Struktur erhält, wodurch sich in der Meßschichtebene ein langer Strom­ pfad mit einem erhöhten ohmschen Widerstand ergibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerschicht (5) mittels Dünnschichttechnik auf ein Basismaterial aufgebracht wird, daß auf die Oberfläche der Meßschicht (1) in vorbestimmten Bereichen eine Fotolackschicht aufgetragen wird und mittels Fotolitografie vorbestimmte Bereiche der Meßschicht (1) und der Trägerschicht (5) weggeätzt werden, derart, daß von der Trägerschicht (5) eine rahmenförmige Stütze bleibt und von der Meßschicht (1) der lange Strompfad.